化工原理实验讲义1.docx
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化工原理实验讲义1
化工原理实验讲义
化学系化工教研室
实验一流体流动型态及临界雷诺数的测定…1……………………1
实验二伯努利方程……………………………2……………………3
实验三管路流体阻力的测定…………………3……………………5
实验四离心泵特性曲线的测定………………4……………………8
实验五套管换热器液—液热交换系数及膜系数的测定…5………12
实验六裸管与绝热管的传热实验……………………………………18
实验七固体流态化的流动特性………………………………………22
实验八精馏实验…………………………………………6…………24
实验九过滤实验………………………………………………………30
实验十洞道干燥实验（数字型）……………………………………36
实验一流体流动型态及临界雷诺数的测定
一、实验目的
本实验的目的是通过雷诺试验装置，观察液体流动过程的不同流型及其转变过程，测定流型转变时的雷诺数。
二、实验原理
液体流动存在两种不同的型态，即滞流（层流）和湍流（紊流）。
主要决定因素为液体的密度和粘度，流动型态的速度，以及设备的几何尺寸。
流体作滞流流动时，其质点作平行于管轴的直线运动；湍流时流体质点在沿管轴流动的同时还作着杂乱无章的随机运动。
雷诺准数是判断流动型态的数群。
流体在圆管内流动时的雷诺准数可用下式表示：
式中：
d管子内径m；
u流速m／s；
ρ流体密度kg／m３；
μ流体粘度Pa·s。
一般认为，Re＜2000时，流动型态为滞流；Re＞4000时，流动为湍流；Re数在两者之间，有时为滞流，有时为湍流，和流动环境有关。
一般情况下，下临界雷诺准数为2000，上临界雷诺准数为4000。
对于一定温度的流体，在特定的圆管内流动，雷诺准数仅与流速有关。
本实验是改变水在管内的速度，观察在不同雷诺数下流体流型的变化。
三、实验装置
实验装置由稳压溢流水试验导管和转子流量计等部分组成。
本实验装置中，为了保持水箱中水位恒定和避免波动，在水箱上设一溢流口，多余的水经水箱的溢流口泄入下水道中。
水通过玻璃实验管，经出口阀、转子流量计计量，然后泄入下水道。
流速由出口阀调节。
玻璃瓶内装有红颜色水，借助于本身的位头，经细钢针头注入玻璃管中心，由此可观察水在玻璃管中流动的状态。
四、实验内容
在水箱内装有溢流装置，以水位恒定。
水箱下面有水平管入口处插进一根细管，细管上方与装有色液体的容器相连。
实验时，在有溢流的情况下，微微打开左阀门，使玻璃管中的水低速流动，然后打开示踪液调节阀，把有色液引入玻璃管中。
可以观察有色液体成一直线平稳地流过整根玻璃管，与管的水互不相混合，为层流。
调节左阀，增大水流速，当流速增大到一定数值时，有色液体开始出现不规则的波浪。
记下水的温度和流量。
若继续增大流速至某一临界值时，有色流线即消失，整个管内的水呈现均匀的颜色（湍流）。
记下水的温度和流量。
实验操作需重复数次（至少5-6次）
五、注意事项：
1.本实验示踪液采用红墨水，其连接注射针头，注射速度应与主体流速接近（略低一些），因此随着水的流量增大，需细心调节红墨水的注射量，才能得到较好的效果。
2.在实验过程中，应注意水槽的溢流量，保持稳定流动。
3.调节水的流量时缓慢增大阀门，当状态稳定时，记录数据。
六、思考题：
1.比较实验结果与理论值，分析原因。
2.谈谈你对本实验装置的看法。
实验二伯努利实验
一、实验目的
实验观察不可压缩流体在导管内流动时的各种形式和机械能的相互转化现象，并验证机械能衡算方程（伯努利方程）。
通过实验，加深对流体流动过程基本原理的理解。
二、实验原理
不可压缩流体在导管内作定常流动，系统与环境又无功的交换时，则对确定的系统即可列出机械能衡算方程
（1）
（J/Kg）
（2）
（m）
式中：
ΣHf—压头损失，m
z1—位压头，m
u12/2g—动压头，m
p1/ρg—静压头，m
Σhf—能量损失，J/Kg
下标1和下标2分别为进出口两个截面
根据实验装置此方程简化为：
（1）当流体为理想液体时，
（J/Kg）
（m）
此式即为伯努利方程。
（2）当流体流经某一水平装置时，
（J/Kg）
（m）
（3）当流体处于静止状态时，
（J/Kg）
（m）
三、实验装置
本实验装置由实验导管、稳压溢流水槽和三对测压管组成。
实验导管为一水平装置的变径圆管，沿程分三处设置测压管。
每处测压管由一对并列的测压管组成，分别测量该截面处的静压头和冲压头。
1.稳压水槽；2.实验导管；3.出口调节阀；4.静压头测量管；5.冲压头测量管。
实验装置如图示1，液体由稳压水槽流入实验导管，沿途内径分别为16、25、16mm，最后排出设备。
流体流量由出口阀门调节。
四、实验内容
1.关闭实验管排出口调节阀，观察和测量液体处于静止时各测压点（A、B和C三点）的压强。
2.调节排出口流量，观察比较流体在流动状态下的各测压点的压头变化。
3.调节排出口流量，测定流体在流动状态下的各测压点的静压头、动压头、压头损失。
五、实验结果
1．测量并记录实验基本数据
流体种类：
实验导管内径：
dA=dB=dC=
实验系统的总压头：
H=mmH2O
2.非流动体系的机械能分布及其转换
（1）实验数据记录
水温
密度
各测试点的静压头
各测试点的静压强
T/℃
ρ/kg·m-3
/mmH2O
/mmH2O
/mmH2O
pA/Pa
pB/Pa
pC/Pa
（2）验证流体静力学方程
3.流动体系的机械能分布及其转换
（1）实验数据记录
实验序号
1234
静压头
pA/ρg（mmH2O）
pB/ρg（mmH2O）
pC/ρg（mmH2O）
压强
pA（Pa）
pB（Pa）
pC（Pa）
动压头
uA2/2g（mmH2O）
uB2/2g（mmH2O）
uC2/2g（mmH2O）
流速
uA（m·s-1）
uB（m·s-1）
uC（m·s-1）
损失压头
Hf（1-A）（mmH2O）
Hf（1-B）（mmH2O）
Hf（1-C）（mmH2O）
（2）验证流动流体的机械能衡算方程
六、实验讨论
1.开大出口阀流速增大，动压头增大，为什么测压管的液位反而下降？
2.将测压孔由正对水流方向转至与水流方向垂直，为什么各测压管液位下降？
下降的液位代表什么压头？
实验三管路流体阻力的测定
一、实验目的
1.了解流体流经管道或管件的直管阻力和局部阻力的测定方法。
2.了解光滑管和粗糙管对流体流动阻力的影响。
3.测定流体流过直管的摩擦系数λ与雷诺数
的关系。
4.测定流体流过截止阀、变径管件（扩大、缩小）时的局部阻力系数。
二、基本原理
流体在管路中流动时，由于粘性剪应力和涡流的存在，不可避免地会引起流体压力损失。
流体在流动时所产生的阻力有直管摩擦阻力和局部阻力。
1.直管阻力
流体流过直管时的摩擦系数与阻力损失之间的关系可用下式表示
式中：
hf:
直管阻力损失，J/kg；
L:
直管长度，m；
d:
直管内径，m；
u:
流体的速度，m/s；
λ:
摩擦系数。
在一定的流速和雷诺数下，测出阻力损失，按下式即可求出摩擦系数
2.局部阻力
流体流过阀门、扩大、缩小等管件时，所引起的阻力损失可用下式计算
hf=-△p/ρg=ζ·u2/2g（J/kg）
式中ζ为局部阻力系数,ζ的值一般都由实验测定。
三、实验装置流程和主要设备
1.实验装置流程
流体流动阻力实验装置流程图
本实验装置是由循环水系统（或高位稳定水槽）、实验管路系统（包括光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管和孔板流量计）、高位排气水槽组合而成，每条测试的测压口通过转换阀组与压差计连通。
压差由一倒置U形水柱压差计显示。
孔板流量计的读数由一倒置U形水柱压差计显示。
该装置的流程如上图所示。
四、操作步骤
1.熟悉实验装置的流程及流量、压差的测定方法。
2.开启进水阀向水槽送水。
3.在大流量下进行管路和连接管排气。
连接管通过U形压差计的放空阀进行排气。
若U形压差计中有气泡，也要通过打开放空阀将气泡排掉，排气后关闭调节阀。
4.选择待测管路，开启管路切换球阀，同时关闭其余各管路的切换球阀。
5.用调节所测定管路的流量，待流动稳定后，测取流量和压差数据。
在流量变化范围内，直管阻力测取10~15组实验数据，局部阻力测取5组实验数据。
6.一个管路测量完毕，关闭管路的切换球阀。
切换到另一个管路，重复4、5两步操作。
7.所有管路测量完毕后，关闭泵出口调节阀。
打开U形测压管上的放气阀。
停泵，测量水温。
8.做好清洁卫生工作。
五、实验预习要求
1.预习流体流动阻力部分内容。
2.预习机械能衡算方程中各项的使用单位，实验中测量所用的单位若非法定计量单位，计算时应如何变换？
3.熟悉实验装置的流程、设备、仪表和操作方法，确定需查找的各种参数，需测的各种参数和测取手段。
4.预习管道突然扩大、突然缩小及阀的阻力系数的计算方法。
六、实验报告内容和要求
1.记录整理原始测试数据，计算实验结果，填入实验数据表格。
2.数据处理要有计算过程举例。
3.在双对数坐标纸上标绘实测的λ-Re曲线。
4.对实验现象和实验结果进行分析讨论。
七、思考题
1.测压孔大小和位置、测压导管的粗细和长短对实验有无影响？
为什么？
2.在测量前为什么要将设备中的空气排净，怎样才能迅速排净？
3.为什么在对某一项目测量时，其余各水路必须切断？
4.本实验中使用了哪些测定压强差的方法？
它们各有什么特点？
实验四离心泵特性曲线的测定
一、实验目的
本实验采用单级单吸离心泵装置，实验测定在一定转数泵的特性曲线，通过实验了解离心泵的构造、安装流程和正常的操作过程，掌握离心泵各项主要特性及其相互关系，进而加深对离心泵的性能和操作原理的理解。
二、实验原理
离心泵是一种液体输送机械，它籍助于泵的叶轮高速旋转，使充满在泵体内的液体在离心力的作用下，从叶轮中心被甩至边缘，在此过程中液体获得能量，提高了静压能和动能。
液体在离开叶轮进入壳体时，由于流动截面积的增大，部分动能变成静压能，进一步提高了静压能。
流体获提能量的多少，不仅取决于离心泵的结构和转速，而且与流体的密度有关。
当离心泵内存在空气，空气的重度远比液体的小，使离心泵所产生的离心力不足以在泵的进口处形成所需的真空度，无法吸入液体，该现象称为“气缚”。
为了保证离心泵的正常操作，在启动前必须在离心泵和吸入管路内充满液体，并确保运转过程中尽量不使空气漏入。
离心泵的主要性能是扬程、流量、功率、效率和转速。
在一定的转速下，离心泵的扬程、功率、效率均随流量的大小改变。
扬程与流量的特性曲线He=f（Qe）、功率消耗与流量的特性曲线N轴=f（Qe）、以及效率与流量的特性曲线η=f（Qe）是离心泵的三条特性曲线。
它们与离心泵的设计、制造有关，必须由实验测定。
1、泵的流量
泵的流量即泵的送液能力，是指单位时间内泵排出的液体体积。
泵的流量可直接通过在一定时间t内排出的液体体积V或质量m来测定
Vs=V/t=m/tρm3/s
泵的流量用流量计测定
m3/s
式中
C0-孔板流量系数
S0-孔板的锐孔面积
2、泵的扬程
泵的扬程即总压头，表示单位重量的液体从泵中得到的能量。
在泵的压出管路中，压力表处为2-2截面，吸入管路真空表处为1-1截面，由机械能衡算式得出扬程的计算公式：
式中：
He——泵的扬程，m液柱；
H压强表——压力表测得的表压，m液柱）；
H真空表——真空表测得的真空度，m液柱；
h0——压强表和真空表中心的垂直距离，m；
u2——泵出口管内流体的速度，m/s；
u1——泵进口管内流体的速度，m/s。
3、泵的功率
在单位时间内，液体从泵中实际得到的功，即为泵的有效功率，计算公式如下流体通过泵之后，实际得到的有效功率：
其中：
He——离心泵的有效功率，kW；
Qe——离心泵的输液量，m3/s；
ρ——被输送液体的密度，kg/m3。
4、泵的效率
离心泵的总效率：
式中：
N电——电机的输入功率。
电机消耗的功率N由输入电压U和电流I测得，即
N=UIw
5、泵的特性曲线
一定的转数下，He,N,η与V之间的变化关系
三、实验装置
本实验装置主体设备为一台单级单吸离心泵。
为了便于观察，泵壳端用明材料制，电动机直接连接半敞式叶轮。
离心泵与循环水槽、分水槽和各种测量仪表构成一个测试系统。
四、实验内容
1、开放上水阀门，水箱充水至80%。
2、关闭调节阀。
3、灌泵：
开启引水阀，反复开启和关闭放气阀，尽可能排除泵体内的空气，排气结束，关闭引水阀。
4、启动离心泵。
5、开启各仪表开关。
6、开启调节阀至最大开启度，由最大流量范围合理分割流量，进行实验布点，测定流量变化引起的压力变化（8-10组数据）。
7、由调节阀调节流量，每次流量调节稳定后，读取各组实验数据。
8、实验装置恢复原状，并清理实验场地。
五、注意事项
1、启动前，充水，排除空气。
2、实验完毕后，应先将出口阀门关闭，再将调压器调回零点，最后电源。
六、思考题
1．离心泵在启动前为什么要引水灌泵？
如果已经引水灌泵了，但离心泵还是启动不起来，你认为可能是什么原因？
2．为什么离心泵启动时要关闭出口阀和拉下功率表的开关？
3．为什么调节离心泵的出口阀可调节其流量？
这种方法有什么优缺点？
是否还有其它方法调节泵的流量？
4．为什么在离心泵的进口管下安装底阀？
从节能观点上看，底阀的设置是否有利？
你认为应如何改进？
七、实验数据记录和整理
1将实验数据和计算结果记录下表中。
水温：
电机转速：
功率表：
流量计仪表常数：
序
号
流量
真空度
压力表
输入功率
压头
He（m）
有效功率Ne（kw）
效率η（%）
仪表读数
m3/h
仪表读数
m（H2O）
仪表读数
m（H2O）
仪表读数W
N（Kw）
2将数据及计算的参数在坐标纸上作图。
a扬程和流量特性曲线。
b功率消耗和流量的特性曲线。
c功率和流量特性曲线。
实验五套管换热器液——液热交换系数及膜系数的测定
一、实验目的
在工业生产或实验研究中，常遇到两种流体进行热量交换，来达到加热或冷却之目的。
为了加速热量传递过程，往往需要将流体进行强制流动。
对于在强制对流下进行的液—液热交换过程，曾有不少学者进行过研究，并取得了不少求算传热膜系数的关联式。
这些研究结果都是在实验基础上取得的。
对于新的物系或者新的设备，仍需要通过实验来取得传热系数的数据及其计算式。
本实验的目的，是测定在套管换热器中进行的液—液热交换过程的传热总系数，流体在圆管内作强制湍流时的传热膜系数。
以及确立求算传热系数的关联式。
同时希望通过本实验，对传想过程的实验研究方法有所了解，在实验技能上受到一定的训练，并对传热过程基本原理加深理解。
二、实验原理
冷热流体通过固体壁所进行的热交换过程，先由热流体把热量传递给固体壁面，然后由固体壁面的一侧传向另一侧，最后再由壁面把热量传给冷流体。
换言之，热交换过程即为给热—导热—给热三个串联过程组成。
若热流体在套管热交换器的管内流过，而冷流体在管外流过，设备两端测试点上的温度如图4-1所示。
则在单位时间内热流体向冷流体传递的热量，可由热流体的热量衡算方程来表示：
图4-1套管热交换器两端测试点的温度
Q=mscp（T1－T2）J·S-1
（1）
就整个热交换而言，由传热速率基本方程经过数学处理，可得计算式为
Q=KA△TmJ·s-1
（2）
式中：
Q—一传热速率，J·s-1或W；
ms—一热流体的质量流率，kg·s-1；
cp一热流体的平均比热容J·kg-1·K-1；
T—一热流体的温度，K；
T’—一冷流体的温度，K；
Tw—一固体壁面温度，K；
K—一传热总系数，W·m-2·K-1
A一热交换面积，m2；
△Tm—一两流体间的平均温度差，K。
（符号下标1和2分别表示热交换器两端的数值）
若△T1和△T2分别为热交换器两端冷热流体之间的温度差，即
△T1=（T1－T1’；）（3）
△T2=（T2一T2’）（4）
则平均温度差可按下式计算：
由
（1）和
（2）两式联立求解，可得传热总系数的计算式：
就固体壁面两侧的给热过程来说，给热速率基本方程为
。
Q=α1Aw（T—Tw）
Q=α2Awˊ（Tw’一T’）（8）
根据热交换两端的边界条件，经数学推导，同理可得管内给热过程的给热速率计算式
Q=α1Aw△Tmˊ（9）
式中α1与α2—一分别表示固体壁两侧的传热膜系数，W·m-2·K－l；
Aw与Aw’—一分别表示固体壁两侧的内壁表面积和外壁表面积，m2；
Tw与Tw’—一分别表示固体壁两侧的内壁面温度和外壁面温度，K；
△Tm’一—热流体与内壁面之间的平均温度差，K。
热流体与管内壁面之间的平均温度差可按下式计算
由（l）和（9）式联立求解可得管内传热膜系数的计算式为
同理也可得到管外给热过程的传热膜系数的类同公式。
流体在圆形直管内作强制对流时，传热膜系数α与各项影响因素（如：
管内径d，m；管内流速u，m·s-1；流体密度ρ，kg·m-3；流体粘度μ，Pa·s；定压比热容，cpJ·kg-1·K-1和流体导热系数λ，W·m-1·K-1）之间的关系可关联成如下准数关联式：
Nu=aRemPrn（13）
式中：
上列关联式中系数a和指数m，n的具体数值，需要通过实验来测定。
实验测得a、m、n数值后，则传热膜系数即可由该式计算。
例如:
当流体在圆形直管内作强制湍流时，
Re＞10000
Pr＝0.7—160
l／d＞50
则流体被冷却时，α值可按下列公式求算；
流体被加热时
或
当流体在套管环隙内作强制湍流时，上列各式中d用当量直径de替代即可。
各项物性常数均取流体进出口平均温度下的数值。
三、实验装置及其流程
本实验装置主要由套管热交换器、恒温循环水槽、高位稳压水槽以及一系列测量和控制仪表所组成，装置流程如图4-2所示。
图4-2套管换热器液一液热交换实验装置流程
套管热交换器由一根Φ12ⅹ1.5mm的黄铜管作为内管，Ф20ⅹ2.0mm的有机玻璃管作为套管所构成。
套管热交换器外面再套一根Ф32ⅹ2.5mm有机玻璃管作为保温管。
套管热交换器两端测温点之间（测试段距离）为1000mm。
每一个检测端面上在管内、管外和管壁内设置三支铜—康铜热电偶，并通过转换换开关与数字电压表相连接，用以测量管内、管外的流体温度和管内壁的温度。
热水由循环水泵从恒温水槽送入管内，然后经转子流量计再返回槽内。
恒温循环水槽中用电热器补充热水在热交换器中移去的热量，并控制恒温。
冷水由自来水管直接送入高位稳压水槽，再由稳压水槽流经转子流量计和套管的环隙空间。
高位稳压水槽排出的溢流水和由换热管排出被加热后的水，均排入下水道。
四、实验方法
实验前准备工作
（1）向恒温循环水槽灌入蒸馏水或软水，直至溢流管有水溢出为止。
（2）开启并调节通往高位稳压水槽的自来水阀门，使槽内充满水，并由溢流管有水流出。
（3）将冰碎成细粒，放入冷阱中并掺入少许蒸馏水，使之呈粥状。
将热电偶冷接点插入冰水中，盖严盖子。
（4）将恒温循环水槽的温度自控装置的温度定为55℃。
启动恒温水槽的电加热器。
等恒温水槽的水达到预定温度后即可开始实验。
（5）实验前需要准备好热水转子流量计的流量标定曲线和热电偶分度表。
实验操作步骤：
（1）开启冷水截止球阀，测定冷水流量，实验过程中保持恒定。
（2）启动循环水泵，开启并调节热水调节阀。
热水流量在60～250L•h-1范围内选取若干流量值（一般要求不少于5～6组测试数据），进行实验测定。
（3）每调节一次热水流量，待流量和温度都恒定后，再通过琴键开关，依次测定各点温度。
实验注意事项：
（1）开始实验时，必须先向换热器通冷水，然后再启动热水泵。
停止实验时，必须先停热电器，待热交换器管内存留热水被冷却后，再停水泵并停止通冷水。
（2）启动恒温水槽的电热器之前，必须先启动循环泵使水流动。
（3）在启动循环水泵之前，必须先将热水调节阀门关闭，待泵运行正常后，再徐徐开启调节阀。
，、
（4）每改变一次热水流量，一定要使传热过程达到稳定之后，才能测取数据。
每测一组数据，最好重复数次。
当测得流量和各点温度数值恒定后，表明过程已达稳定状态。
五、实验结果整理
1．记录实验设备基本参数。
（1）实验设备型式和装置方式：
水平装置套管式热交换器
（2）内管基本参数：
材质：
黄铜
外径：
d=mm
壁厚：
δ=mm
测试段长度：
L=mm
（3）套管基本参数：
材质：
有机玻璃
外径：
d’=mm
壁厚：
δˊ=mm
（4）流体流通的横截面积：
内管横截面积：
S=m2
环隙横截面积：
Sˊ=m2
（5）热交换面积：
内管内壁表面积：
Aw=
内管外壁表面积：
Aw′=
平均热交换面积：
A=
2.实验数据记录
实验测得数据可参考如下表格进行记录：
实验序号
冷水流量
热水流量
温度
备注
测试截面Ⅰ
测试截面Ⅱ
ms’
ms
T1
Tw1
T1’
T2
Tw2
T2’
kg•s-1
kg•s-1
℃
℃
℃
℃
℃
℃
3．实验数据整理
（1）由实验数据求取不同流速下的总传热系数，实验数据可参考下表整理：
实验序号
管内流速
流体间温度差
传热速率
总传热系数
备注
u
△T1
△T2
△Tm
Q
K
m•s-1
K
K
K
W
W•m-2•K-1
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
列出上表中各项计算公式。
（2）由实验数据求取流体在圆直管内作强制湍流时的传热膜系数α。
实验数据可参考下表整理：
实验序号
管内流速
流体与壁面温度差
传热速率
管内传热膜系数
备注
u
T1-Tw1
T2-Tw2
△Tm’
Q
α
m•s-1
K
K
K
W
W•m-2•K-1
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
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